Conservative interpolation-free mesh adaptation for three-dimensional aeroelastic simulations in unsteady compressible flows

An interpolation-free conservative solution transfer methodology for body-fitted dynamic adaptive meshes is considered for the coupled numerical simulation of unsteady compressible flows and rigid body dynamics. The aim is to enable conservative mesh adaptation in three-dimensional transonic aeroelastic simulations with large relative free body motions, where element connectivity change becomes necessary to preserve the mesh quality, and an explicit solution interpolation from the old to the new mesh is known to reduce the solution accuracy. To this end, a continuous time interpretation of each local remeshing operation is employed to preserve solution conservation among different adapted meshes, avoiding any explicit interpolation step. A first application to a three-dimensional aeroelastic problem is presented with the analysis of the nonclassical aileron buzz. The methodology is validated by reproducing the self-sustained aileron oscillations in the flight speed and frequency range found in the experiments reported in literature. The large oscillations of the finite-span aileron require frequent remeshing, which is managed by the conservative methodology while also adapting the mesh to the shock waves pattern. A simple numerical methodology for shape interpolation is also introduced for the dynamic geometrical modeling of continuous wing--aileron configurations in two dimensions, and used for comparisons with discontinuous configurations for a preliminary assessment of the geometry effects on the aeroelastic phenomenon. Some complementary problems in mesh mechanics and structural mechanics are also individually addressed, with the development of a constant-connectivity mesh adaptation model and low-dimensional structural models for wing morphing.

Questo lavoro prende in considerazione una metodologia per il trasferimento conservativo della soluzione su mesh adattive dinamiche, senza interpolazione, per la simulazione accoppiata di flussi comprimibili instazionari e la dinamica dei corpi rigidi. L'obiettivo è di consentire l'applicazione dell'adattazione di mesh conservativa nelle simulazioni aeroelastiche tridimensionali con corpi soggetti ad ampi movimenti liberi, dove il cambio di connettività degli elementi è necessario per preservare la qualità della mesh, ed è noto che l'interpolazione esplicita della soluzione dalla vecchia alla nuova mesh comporta una riduzione di accuratezza nella soluzione. A questo scopo, un'interpretazione continua nel tempo di ogni operazione di remeshing locale è utilizzata per preservare la conservazione della soluzione tra diverse mesh adattate, senza alcun passo esplicito di interpolazione. Una prima applicazione ad un problema aeroelastico tridimensionale è presentata con l'analisi del buzz non-classico di alettone. La metodologia è validata replicando le oscillazioni auto-sostenute dell'alettone nell'intervallo di velocità di volo e frequenze riportate negli esperimenti disponibili in letteratura. Le ampie oscillazioni dell'alettone di apertura finita richiedono una frequente rigenerazione della mesh, che è gestita dalla metodologia conservativa insieme all'adattazione della mesh alla disposizione delle onde d'urto. Viene introdotta inoltre una semplice metodologia per l'interpolazione di forma per la modellazione geometrica dinamica di configurazioni continue ala-alettone in due dimensioni, utilizzata per confronti con configurazioni discontinue, per una valutazione preliminare degli effetti geometrici sul fenomeno aeroelastico. Vengono affrontate infine alcune tematiche complementari nel campo della meccanica della mesh e della meccanica strutturale, con lo sviluppo di un modello di adattazione di mesh a connettività costante e un modello strutturale di piccole dimensioni per il morphing dell'ala.